板桩式坞墙结构的计算分析_赵家旺.pdf

11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8板桩式坞墙结构的计算分析 赵家旺1 文藻2 1.中交三航局第二工程有限公司；2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司 摘 要：板桩式坞墙是一种常见的坞墙结构形式，多用于地基承载力较低的干船坞工程。与板桩码头类似，其主体结构分为前墙、拉锚结构、后墙等几部分，但在底板结构、荷载受力上又有其特殊的地方。结合板桩式坞墙的施工工序，分工况进行计算分析，找出适用于板桩式坞墙结构的计算模式，为其他相似工程提供参考。关键词：船坞；板桩式坞墙；底板1.引言船坞是一种供船舶修造的大型结构工程,一般分为浮船坞和干船坞。其中干船坞结构主要包括坞室、坞口、水泵房、围堰、基坑等。作为船坞结构的核心部分,坞墙结构可采用重力式、桩基承台式、板桩式、半重力式、混合式和衬砌式结构。对于地基承载力较低的工程环境,宜采用板桩式坞墙结构。同样是板桩结构,板桩式坞墙与板桩码头有很多相似之处,如分为前墙、拉锚结构、后墙等；前墙多采用组合钢板桩或地连墙形式；后锚碇多采用混凝土墙或桩等形式。主要计算内容有前墙踢脚稳定性、锚碇结构稳定性、拉杆内力、前墙内力等。但是,板桩式坞墙又有其独特之处：（1）在修造船工况,前墙前面没有水压力作用,为“干”的情况；而板桩码头墙前有水压力作用。（2）由于船坞底板的存在,在使用期,坞墙前方时刻有底板的支撑作用；而板桩码头没有。基于以上两点的主要不同,板桩式坞墙的设计和施工也要有所特殊考虑。本文以南亚地区某项目为例,结合板桩式坞墙施工工序和结构特点进行设计计算分析,为相关工程项目提供参考。2.工程项目简介干船坞主尺度为135x28x13.8m,没有中间坞门,坞底标高为-7.0m,坞顶标高为+6.8m。坞墙采用板桩式结构,前墙坞壁采用1219钢管桩&AZ20-700钢板桩组合桩结构形式,锚碇结构采用AZ20-700钢板桩,钢拉杆直径为65mm,间距1.5m。顶部胸墙采用混凝土结构,内部设有公用廊道,下部为门机前轨支撑桩,桩型采用800mmPHC管桩。坞底板采用混凝土板结构,厚度为1.5m,下部为500mmPHC管桩支撑。由于地基土多为淤泥质黏土、粉质黏土等软弱土层,故采用水泥搅拌桩进行地基处理,置换率40%。3.主要施工工序及危险工况坞墙结构的主要施工工序为：坞底板桩基施工坞壁组合板桩施工门机轨道PHC桩施工锚碇板桩施工拉杆安装及抛石坞室开挖坞底板施工桩帽及轨道梁施工胸墙施工坞顶回填。整个过程均为干施工状态,可以看出,在第六步坞室开挖完成后,第七部坞底板施工前,坞墙结构处于墙前没有底板支撑作用,且没有水压力作用的危险状态,此时为施工期的危险工况。整体施工完成后,坞顶设计荷载达到了使用期荷载,此时为使用期的危险工况。此外,由于坞壁结构已经处于完成状态,在坞底板施工前会一直处于受力状态,实际上会存在一定的变形协调。等到坞底板施工完毕后,底板的支撑作用形成,坞壁在底板位置处的变形基本上可以忽略不计,但是前期已经发生的变形为永久变形,不会因为坞底板的施工而将变形“顶回去”,故仍需要考虑1。4.设计计算4.1设计输入条件主要计算参数如表1所示。土质参数如表2所示,地面均载30kPa（施工期为10kPa）。4.2设计工况根据前文施工工序分析,首先将计算模型分为施工期和使用期（本文暂不考虑地震作用）。1）施工期采用设计高低水位进行计算,墙前没有底板支撑,坞顶标高为+2.5m,即坞顶开挖面高程,顶面受施工期荷载。2）在施工期计算完成后,读取前墙在船坞底板位置处（约-7.75m）的变形值。假定在坞底板施工完成后,此位置的后续变形为零。114学术ACADEMICDOI:10.14125/ki.zjsy.2023.02.00311mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 83）使用期采用极端高低水位、设计高低水位进行计算,墙前有底板支撑,需要在模型中给定一个假定“刚度系数”。坞顶标高为+6.8m,受使用期荷载。4）通过调整假定的“刚度系数”值大小,将使用期计算得到的前墙底板位置处变形值,与施工期计算得出的一致,此时为最终的计算模型。值得注意的是,在计算使用期模型时,需按照设计水位分别调整模型,使各个水位计算得出的底板位置处变形值均为给定值2。如果不考虑施工期位移,在使用期计算模型中直接定底板刚度系数,会造成两种结果：1）给定的刚度系数偏小。使用期前墙变形位移较大,大于施工期的变形数值,总体结果偏大；2）给定的刚度系数偏大。使用期前墙变形位移较小,小于施工期的变形数值,总体结果偏小；综上,设计工况如下：施工期：CLS1：自重+主动土压力（设计高水位）+堆载土压力（设计高水位）+渗流力（设计高水位）；CLS2：自重+主动土压力（设计低水位）+堆载土压力（设计低水位）+渗流力（设计低水位）。使用期：ULS1：自重+主动土压力（极端高水位）+堆载土压力（极端高水位）+渗流力（极端高水位）；ULS2：自重+主动土压力（设计高水位）+堆载土压力（设计高水位）+渗流力（设计高水位）；ULS3：自重+主动土压力（设计低水位）+堆载土压力（设计低水位）+渗流力（设计低水位）；ULS4：自重+主动土压力（极端低水位）+堆载土压力（极端低水位）+渗流力（极端低水位）。4.3计算结果1）前墙踢脚稳定计算结果见表3。2）锚碇板桩稳定计算结果见表4。3）构件内力计算结果见表5。从表5可以看出,施工期前墙最大应力约为168MPa,使用期前墙最大应力约为184MPa,施工期产生的内力已经占到了最终使用期的90%,这说明坞墙结构的大部分受力变形在结构顶标高（m）+6.8PHC桩底标高（m）-41组合板桩底标高（m）-28.0极端高水位（m）+5.77坞底板标高（m）-7.0设计高水位（m）+4.38锚碇板桩顶标高（m）+4.8设计低水位（m）-0.02锚碇板桩底标高（m）-8.2极端低水位（m）-1.31拉杆高程（m）+3.7坞顶开挖面高程（m）+2.5拉杆间距（m）1.5表1 计算参数表2 地质参数表3 前墙踢脚稳定结果表4 锚碇板桩稳定结果土层土层底标高(m)饱和容重(kN/m3)内摩擦角()粘聚力c(kPa)m值(kN/m4)12.51828150002-0.9117.41.60 48.34 15003-6.1117.53.58 52.30 20004-11.3118.515.87 46.96 30005-13.3118.518.06 40.00 35006-14.311925.11430007-24.011925.618.840008-29.9118.112.40 24.40 4000设计工况倾覆力矩(kNm/m)抵抗力矩(kNm/m)安全系数(1.0)Construction StageCLS-161254.2 154828.7 2.02 CLS-262071.0 154828.7 2.00 Usage StageULS-183846.2 183471.7 1.77 ULS-284495.2 182246.2 1.75 ULS-388512.6 180349.7 1.65 ULS-489752.2 180069.1 1.62 设计工况倾覆力矩(kNm/m)抵抗力矩(kNm/m)安全系数(1.0)Construction StageCLS-112653.4 50220.8 3.97 CLS-211258.7 51326.7 4.56 Usage StageULS-124982.0 29628.4 1.19 ULS-223313.1 39163.4 1.68 ULS-322355.7 52153.3 2.33 ULS-423114.2 52848.2 2.29 珠江水运 2023 0211511mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8施工期就已经发生了,在实际的计算分析中必须要考虑进去。根据本文以及项目其他钻孔计算结果,施工期前墙底板位置处的位移均在30mm左右；使用期给定的“底板刚度系数”在12000kN/m左右。如果按照常规的计算方法,采用EA/L的方式计算“底板刚度系数”,其结果远大于12000kN/m。这也是合理的,因为在船坞的实际结构中,坞底板厚度为1.5m,断面方向的长度为28m,是一个刚性极大的支撑。但是如果直接在使用期计算中给定这个刚度系数,则前墙在底板处几乎没有变形,而由于此处刚度极大,反而造成了附近位置处应力集中,结果失真3。计算得出的变形和弯矩图如图1、图2所示。可以得出,前墙的变形基本符合坞墙结构的实际变形协调；前墙的弯矩也基本过渡平滑,出现了板桩结构中常见的弯矩分布形态,即前墙在拉杆位置以下、墙前泥面位置以上出现最大弯矩。5.结论（1）与板桩码头结构不同,板桩式坞墙结构由于船坞底板的存在,以及前墙无水压力作用,其计算模式应特殊考虑。并应结合施工工序,找出危险工况,将计算分为施工期和使用期,按照实际施工时的结构形式、荷载条件,分别进行分析。（2）考虑到施工期坞墙结构已经发生了一定的永久变形,故在使用期需要通过调整底板刚度系数,将施工期产生的变形协调考虑进去,再叠加使用期的工程结构以及荷载条件。（3）由计算结果可知,施工期已经发生的坞墙内力和变形,占据了最终使用期结果的90%左右,这说明施工期产生的内力和变形是比较大的,需要在计算中考虑进去。参考文献：1冯云芬,高树飞,贡金鑫.基于分项系数法的板桩式坞墙稳定性设计J.水运工程,2021(03):191-196.2刘崇期,胡涛,郝俊宇.同时具有板桩和重力式结构的码头改造升级J.中国水运,2021(11):80-83.3沈旭鸿.平原地区内河航道钢板桩护岸结构适用性分析J.中国水运,2021(09):97-99.计算内容计算结果备注施工期前墙最大弯矩(kN-m)1322.2前墙最大剪力(kN)376.19前墙最大应力(MPa)167.79设计值：323MPa拉杆力(kN)658.18拉杆应力(MPa)137.74设计值：418MPa使用期使用期前墙最大位移(mm)41.33前墙最大弯矩(kN-m)1448.14前墙最大剪力(kN)616.14前墙最大应力(MPa)183.77设计值：323MPa拉杆力(kN)1454.61拉杆应力(MPa)304.42设计值：418MPa表5 构件内力结果图1 使用期结构变形结果图2 使用期结构弯矩结果116学术ACADEMIC